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抗混疊濾波器的三大設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則,你可知道?
發(fā)布時(shí)間:2015-12-21 來源:EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì) 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)包括一個(gè)過采樣架構(gòu)和一個(gè)補(bǔ)充數(shù)字抽取濾波器。這個(gè)過采樣架構(gòu)將那奎斯特頻率放置在遠(yuǎn)離信號(hào)帶寬的位置上,而數(shù)字抽取濾波器衰減大多數(shù)有害的帶外信號(hào)。當(dāng)把二者組合在一起時(shí),它們可以實(shí)現(xiàn)更加自由的抗混疊濾波器響應(yīng),只需幾個(gè)分立式組件即可實(shí)現(xiàn)這一功能。
圖1:用一個(gè)適當(dāng)?shù)目够殳B濾波器來阻止這些混疊
我們知道,在高精度ADC應(yīng)用中使用抗混疊濾波器是有益的,不過,設(shè)計(jì)合適的抗混疊濾波器也同樣重要—如果你不小心的話,就像把有害誤差從系統(tǒng)中消除一樣,很容易將有害誤差引入到你的系統(tǒng)中。在為你的應(yīng)用設(shè)計(jì)抗混疊濾波器時(shí),請(qǐng)考慮以下3個(gè)通用指導(dǎo)原則:
1.選擇你的濾波器截止頻率
最簡單的抗混疊濾波器是一個(gè)單極、低通濾波器,如圖2所示,它使用一個(gè)串聯(lián)電阻器 (R) 和共模電容器 (CCM)。設(shè)計(jì)這個(gè)濾波器的第一步就是選擇所需的截止頻率,fC。在fC上,濾波器的響應(yīng)滾降至-3dB,并且在頻率域范圍內(nèi)繼續(xù)以-20dB/十倍頻的速度減少。
選擇一個(gè)比ADC調(diào)制器采樣頻率,fMOD,至少低十倍頻的截止頻率,其目的在于,在這些頻率上以10倍或更高倍數(shù)打壓帶外噪聲。對(duì)于增加的衰減,通過增加R和CCM 的值來進(jìn)一步減少截止頻率。我在上一篇文章中提到過,你的數(shù)字抽取濾波器的用途就是提供幫助,所以就沒有必要在所需信號(hào)帶寬之后立即設(shè)定你的抗混疊濾波器截止頻率。
方程式1計(jì)算出單極、低通濾波器的截止頻率為-3dB:
圖2.ADC輸入上的單極、低通濾波器
有時(shí)候,一個(gè)單極、低通濾波器也許還不夠。諸如振動(dòng)感測等應(yīng)用也許是用更少的過采樣來分析更寬帶寬上的信號(hào)。這就使數(shù)字抽取濾波器的通帶更加靠近fMOD,并且使得抗混疊濾波器的滾降空間更小。在這些情況下,你可以添加一個(gè)包含額外RC對(duì)的第二極或第三極,以實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加靈敏的濾波器響應(yīng)。
圖3中顯示的是,設(shè)計(jì)用于ADC的單極和雙極濾波器的響應(yīng);這個(gè)ADC在fMOD = 1MHz上對(duì)輸入進(jìn)行采樣。雙極濾波器扁平通帶向外擴(kuò)展至大約20kHz,并且仍然能夠在1MHz上實(shí)現(xiàn)-60dB的衰減。
圖3.單極和雙極低通濾波器的頻率響應(yīng)
2.考慮差分與共模濾波器之間的關(guān)系
很多ADC轉(zhuǎn)換兩個(gè)獨(dú)立輸入之間(例如INP與INN)的電壓,所以,設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在每個(gè)輸入上放一個(gè)共模濾波器,以保持系統(tǒng)共模抑制 (CMR)。然而,組件容差將使任意兩個(gè)濾波器不匹配,并且會(huì)降低頻率范圍內(nèi)的CMR性能,這是因?yàn)閷?duì)共同信號(hào)的濾波操作不同。這就通過人們已知的共模至差分轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)差分信號(hào)誤差。
方程式2使用電阻器容差,RTOL,和電容器容差,CTOL,計(jì)算出共??够殳B濾波器在指定頻率下的CMR:
對(duì)于需要高CMR的應(yīng)用,如圖4中所示,可以考慮添加一個(gè)差分濾波器,以便為2個(gè)共模濾波器提供補(bǔ)充。通過將差分電容器CDIFF 增加到比CCM大10倍,將差分截止頻率設(shè)定為比共模截止頻率低10倍頻。這樣可以減輕由共模組件不匹配所引入的誤差,并且生成一個(gè)更加靈敏的總體濾波器響應(yīng)。方程式3計(jì)算出差分低通濾波器的截止頻率。需要注意的是,分母中有一個(gè)額外的因子2。
圖4.添加了一個(gè)差分濾波器的共模濾波器
3.選擇合適的組件值
將電阻器添加到信號(hào)路徑中將在測量中引入有害噪聲和誤差,所以,不論何時(shí)都有必要將它們控制在合理的范圍內(nèi)。
電阻器噪聲—也被稱為Johnson或熱噪聲—可被建模為電壓源與你的理想“無噪聲”電阻器相串聯(lián)??偟恼f來,你不希望電阻器熱噪聲占據(jù)整條信號(hào)鏈,那么,將其保持在ADC的噪底以下就非常重要。方程式4計(jì)算出電阻器熱噪聲的噪聲密度,vn:
在這里,k = 玻爾茲曼常量 (1.38E-23 J/K),而T是溫度值,單位為開爾文。
串聯(lián)電阻也會(huì)在輸入偏置電流出現(xiàn)時(shí)引入小的偏移電壓。雖然你也許能夠在之后校準(zhǔn)這個(gè)值,不過還是要盡可能地限制電阻器尺寸,特別是在偏置電流有可能變得很大時(shí)更應(yīng)如此。
與濾波器電阻器不同,你能夠使用的電容器的值越高,效果就越好。如需了解其中的原因,就必須知道ADC是如何對(duì)輸入進(jìn)行采樣的。
不包含集成緩沖器的增量-累加ADC的輸入直接與ADC調(diào)制器的開關(guān)電容器采樣結(jié)構(gòu)相連。這個(gè)采樣結(jié)構(gòu)包含一個(gè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò),以及電容值大約為10pF或20pF的采樣電容器。圖5顯示的是一個(gè)經(jīng)簡化示例。
圖5.一個(gè)ADC中的經(jīng)簡化開關(guān)電容器采樣結(jié)構(gòu)
采樣期間,這個(gè)開關(guān)電容器電路在外部電路上放置了一個(gè)瞬態(tài)負(fù)載。這個(gè)濾波電容器幫助減少來自調(diào)制器的采樣電荷注入,并且提供為采樣電容器,CSAMPLE,充電所需的某些瞬時(shí)電流。濾波電容器越大,可用的電荷就越多。由于其高Q因子、低溫度系數(shù)、以及穩(wěn)定的電氣特性,請(qǐng)使用NP0/C0G類型的陶瓷電容器。較大的電容器值也會(huì)改進(jìn)總諧波失真 (THD) 等AC技術(shù)規(guī)格,不過,需牢記的是,這就增加了濾波器的RC時(shí)間常量,并且需要一個(gè)更長的穩(wěn)定時(shí)間。
我希望這3條指導(dǎo)原則已經(jīng)使你為下一次的抗混疊濾波器設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。
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